毕业设计（论文）基于单片机的LED显示屏设计

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1、目录摘要.3第一章 引言. .4 1.1LED显示屏的发展及现状.3 1.11我国LED显示屏的发展历史.5 1.1.2我国LED显示屏的发展现状.4 1.2LED研究的目的和意义.6 1.21 LED研究的目的.6 1.22LED研究的意义.7第二章 LED器件的工作原理.8 2.1半导体发光的基本原理.9 2.2 LED器件参数设定.10 2.3 LED器件驱动.12 2.4LED器件使用注意事项.16第三章 LED点阵图文显示屏.17 3.1LED显示屏的特点.17 3.2LED显示屏的基本结构.18 3.3LED显示屏的硬件设计.19 3.3.1 单片机概述.20 3.3.2RS232

2、串口.263.3.3显示屏驱动电路.28第四章 LED显示屏软件设计.33 4.1软件设计思想.33 4.2系统程序流程图.33 结论.27 谢辞.28 参考文献.29LED 显示屏设计摘 要LED显示屏是在信息领域里广泛应用的工具，本文首先介绍了我国LED显示屏的发展现状，以及LED显示屏的发展历史，并且从多个方面分析了LED显示屏的发展前景。第二章中主要介绍了LED器件的工作原理和LED器件的主要参数，然后又介绍了LED器件的几种驱动电路。而设计的主要内容是硬件的选择和软件的编译，从而实现显示屏的显示功能，本系统是以单片机的基本语言汇编语言来进行软件设计，指令的执行速度快，节省存储空间。为

3、了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了。使硬件在软件的控制下协调运作。正文中第三章简单描述系统硬件工作原理，且附以系统硬件设计框图，论述了本次毕业设计所应用的各硬件接口技术和各个接口模块的功能及工作过程, 并具体描述了8051、8031的硬件结构图和管脚功能。对TI公司的TPIC6B595进行了详细的介绍。其次阐述了程序的流程和实现过程。本文撰写的主导思想是软、硬件相结合，以硬件为基础，来进行各功能模块的编写。最后对我所开发的用单片机实现LED显示屏控制原理的设计思想和软、硬件调试作了详细的论述。关键词：显示屏；单片机；驱动电路； 第1章 引 言LED显示

4、屏十八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，他利用发光二极管构成的点阵模块获像素单元组成的面积显示屏幕，以可靠性高、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。1.1 LED显示屏的发展及现状1.1.1我国LED显示屏的发展历史发光二极管（LED）是六十年代未发展起来的一种半导体显示器件，七十年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和P-N结形成技术的研究进展，发光二极管在发光颜色、亮度等性能得以提高并迅速进入批量化和实用化。进入八十年代后，LED在发光波长范围和性能方面大大提高，并开始形成平板显示

5、产品即LED显示屏。LED显示屏发展经历了三个阶段：（1）1990年以前LED显示屏的成长形成时期。一方面，受LED材料器件的限制，LED显示屏的应用领域没有广泛展开，另一方面，显示屏控制技术基本上是通讯控制方式，客观上影响了显示效果。这一时期的LED显示屏在国外应用较广，国内很少，产品以红、绿双基色为主，控制方式为通讯控制，灰度等级为单点4级调灰，产品的成本比较高。（2）1990-1995年，这一阶段是LED显示屏迅速发展的时期。进入九十年代，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。蓝色LED晶片研制成功，全彩色LED显示屏进

6、入市场；电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级实现16级灰度和64级灰度调灰，显示屏的动态显示效果大大提高。这一阶段，LED显示屏在我国发展速度非常迅速，从初期的几空企业、年产值几千万元发展到几十家企业、年产值几亿元，产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域，特别是1993年证券股票业的发展更引发了LED显示屏市场的大幅增长。LED显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成，LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。（3）1995年以来，LED显示屏的发展进入一个总体稳步提高产业格局调整完善的时期。1

7、995年以来，LED显示屏产业内部竞争加剧，形成了许多中小企业，产品价格大幅回落，应用领域更为广阔，产品在质量、标准化等方面出现了一系列新的问题，有关部门对LED显示屏的发展予以重视并进行了适当的规范和引导，目前这方面的工作正在逐步深化，产业发展初具规模。 1.1.2我国LED显示屏的现状产业发展初具规模我国的LED显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。据不完全统计，至1998年底，年度销售总额在1000万元以上的企业有20多家，其销售总额达6亿元左右，占行业市场总额的85%以上。全国从事LED显示屏的各类企业有100余家，从业人员近6000人，行业年度销售总额近8亿

8、元人民币，1996年、1997年的增长速度均保持40%左右，1998年略有回落。在国内市场上，国产LED显示屏的市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场，四十三届世乒赛主会场天津体育中心、京九铁路、北京西客站、首都机场、浦东机场等，均由国内代表企业中标。 技术水平相对领先我国LED显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。90年代初即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国先进水平技术，近年在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无经线控制、多级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现；LED显示屏控制专用大规模集成

9、电路也已由国内企业开发生产并得到应用。LED显示屏产业培养形成了一批LED显示屏科技队伍，在全国LED显示屏行业的从业人数6000人中，科技人员有2800多人，将近50%。LED显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。 应用领域广泛。LED显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括：（1）证券交易、金融信息显示。这一领域的LED显示屏占到了前几年国内LED显示屏需求量的50%以上，目前仍为LED显示屏的主要需求行业。上海证券交易所、深圳证券交易所及全国上万家证券、金融营业机构广泛使用了LED显示屏。 （2）机场航班动态信息显示。民航机

10、场建设对信息显示的要求非常明确，LED显示屏是航班信息显示系统FIDS(Flight information Display system)的首选产品，首都机场、上海浦东国际机场、海口美兰机场、珠海机场、厦门高崎机场、深圳黄田机场、广州白云机场及全国数十家新建和改扩建机场都选用了国产的LED显示屏产品。 （3）港口、车站旅客引导信息显示。以LED显示屏为主体的信息系统和广播系统、列车到发揭示系统、票务信息系统等共同构成客运枢纽的自动化系统，北京站、北京西站、南昌站、大连港等国内重要火车站和港口都安装了国内厂家提供的产品和系统。 （4）体育场馆信息显示。LED显示屏已取代了传统的灯泡及CRT显示

11、屏，四十三届世乒赛主场地天津体育中心首次采用了国产彩色视频LED显示屏，受到普遍好评，上海体育中心、大连体育场等许多国内重要体育场馆相继采用了LED显示屏作为信息显示的主要手段。 （5）道路交通信息显示。智能交通系统（ITS）的兴起，在城市交通、高速公路等领域，LED显示屏作为可变情报板、限速标志等，替代国外同类产品，得到普遍采用。 （6）调度指挥中心信息显示。电力调度、车辆动态跟踪、车辆调度管理等，也在逐步采用高密度的LED显示屏。 （7）邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。遍布全国的服务领域均有国产LED显示屏在信息显示方面发挥作用。 （8）广告媒体新产品。除单一大型户

12、内、户外显示屏做为广告媒体外，国内一些城市出现了集群LED显示屏广告系统；列车LED显示屏广告发布系统也已在全国数十列旅客列车上得到采用并正在推广。行业发展正在逐步规范 1995年以前，LED显示屏的生产无行业规范。1996年原电子部委托蓝通公司制定LED显示屏通用规范，1998年1月正式作为电子行业标准发布实施，使LED显示屏产业标准化工作开始走向规范。1998年初，中国光协光电器件分会加强了LED显示屏行业的管理和业务，在引导规范行业发展、开展光电器件与LED显示屏产品技术及检测标准交流协调等方面积极开展工作，目前正在就标准体系和具体标准的建立组织力量进行有关工作。随着产品标准体系的形成和

13、系列标准的实施，LED显示屏产业在向健康有序的方向发展。 1.2 LED显示屏的研究的目的和意义1.2.1课题研究的目的现代信息社会中，作为人一机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，进入二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED显示屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。所以我们要非常重视它的发展前景，不过我们要对陈出新，要有所创新，不要一味的模仿前人所创造出的成果，但是由于我们的开发环境限制的原因，我们不能深入的具体的研究，但我想我们国家的LED显示屏技术会向着以下几方面发展。高亮度、全彩化蓝色及纯绿色LED产品自出现以来

14、，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。基础材料的产业化。使LED全彩色显示产品成本下降，应用加快。以全彩色户外26显示屏为例，1996年的产品市场价格每平方米在12万元左右，1999年已降至78万人民币/m2，LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色LED显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色LED屏更会成为主流产品。全彩色LED显示屏的广泛应用会是LED显示屏产业发展的一个新的增长点。

15、标准化、规范化材料、技术的成熟及市场价格的基本均衡之后，LED显示屏的标准化和规范化将成为LED显示屏发展的一个新趋势。近几年业内的发展，市场竞争在传统产品条件下是以价格作为主要的竞争手段，几番价格回落调整达到基本均衡，产品质量，系统的可靠性等将成为主要的竞争因素，这就对LED显示屏的标准化和规范化有了较高要求，业内一些骨干企业已开始在企业实施ISO9000系列标准。行业规范和标准体系的形成，对产品的检测有了相对统一的认识和评判依据，生产条件差、技术性不强、售后服务体系不完善的企业将受到市场的淘汰，预计今后几年内一批小规模LED显示屏厂商会逐步淡出，行业的发展趋于有序。产品结构多样化信息化社会

16、的形成，信息领域愈加广泛，LED显示屏的应用前景更为广阔。预计大型或超大型LED显示屏的主流产品局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性要求的小型LED显示屏会有较大提高，面向信息服务领域的LED显示屏产品门类和品种体系将更加丰富，部分潜在市场需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系统LED显示屏在LED显示屏市场总量中将会占有多数份额.1.2.2课题研究的意义通过本次设计可以使我更加了解我国LED显示屏的发展前景，以及更好的了解了LED显示屏的主要功能和适用范围，并且通过自己不懈的努力，对其工作原理和

17、安装过程更为了解，对一些电子电路知识更为精通。我想通过本次设计所取得成果是巨大的而深远的，对我以后的工作会有很大的帮助！第2章 LED器件工作原理2.1 半导体发光基本原理纯净半导体的能级图如图2.1所示，在温度为绝对零度是满带中的电子没有足够的能量越过禁带进入导带，因而呈现绝缘状态。随着温度的生高，一般在室温下就有一部分电子具有越过禁带的能量，到达导带，同时留下一个空位形成孔穴，从而呈现弱导电性，即本征性导电。图2.1 半导体能级图半导体材料中掺入杂质后，施主杂质的能级接近导带，受主杂志的能级接近满带。施主杂质中的电子极易进入导带，受主杂质极易从满带中获取电子使满带中形成空穴。当在PN结上施

18、加正向电压时，由于结位垒的降低，使电子N型半导体进入P型半导体，而空穴自P型半导体进入N型半导体，从而形成了少数载流子的注入。随着注入少数载流子的复合，其能量也从高能级返回至低能级，所释放出来的能量可以转化成各种形式，最常见的是以热能的形式释放。从电路的观点来看，释放出来的能量等于PN结正向电流与正向电压之积再乘以时间。有一部分半导体材料在注入少数载流子复合时，会以光的形式释放能量，产生半导体发光现象。半导体发光可以进一步区分为两种类型，一种是电子直接从导带跃迁至满带与空穴复合而发光。另一种是在杂质能级En和Eh之间的复合发光，导带中的电子先跃迁到施主杂质能级En上，再跃迁到Eh上与空穴复合而

19、发光，称为间接发光。LED器件多采用间接发光半导体材料制成。半导体发光的光波波长满足： 其中为禁带宽度，单位为电子伏特（eV）。因为可见光的波长在700nm以下，所以用于LED器件的半导体材料的禁带宽度应该在1.77eV以上。此外，选择不同的半导体材料，有不同的禁带宽度，这就可以制成发出不同颜色光线的LED器件。Gap是一种常用于制造LED器件的半导体材料，在Gap中掺入Zn、O是可制成红色LED器件，再掺入Te后可制成绿色LED。2.2 LED器件的参数在工程应用中，正确掌握和理解LED器件的参数是成功设计的基础。LED器件的参数可以分为电参数、光参数和结构参数，结构参数放在后面来介绍，本节

20、以讨论电参数和光参数为主。一、极限参数极限参数是指在应用中不得超过的各种量值。极限功耗 LED器件正常工作于正便置状态，正向电流沿正向流过，电场做功一部分转化为光能，还有相当一部分转化成热能，引起PN结发热，使结温上升。当结温上升到达其最大允许值时，器件的耗散功率就不允许在增加了，这时的功率就是极限功耗。实际上结温是受发热于散热两个因素的影响。耗散功率的增加使结温上升，而环境温度的降低有利于散热会使结温降低。因此在不同环境温度情况下会有不同的值。当环境温度较低时PM 的值大些，随着环境温度的升高的值有所降低。在从-20+25度的环境温度范围内，PM 是一个常数，当环境温度超过+25度时，随温度

21、的上升，PM 明显下降，直至+85度环境温度达到了最大允许结温，因此不允许在有附加的任何发热，致使PM 立即下降到0度。极限工作电流IFM 极限工作电流是因极限工耗而引起的参数。当LED器件处于正偏置时，其正向电压的变化很小，引起耗散功率增加的原因是正向电流的增加。因此，对耗散功率的限制就可以转化为对正向电流的限制。根据电路关系PF=VF*IF，可以知道对正向电流的限制值IFM有与PM类似的随环境温度的变化而变化的规律。在有些手册中指给出IFM或PM当中的一个参数，这时多一半给出的是IFM。最高允许反向电压VSLED器件也和其他二极管一样，在反向便置时当反向电压加大到一定程度就会引起击穿。LE

22、D器件的反向击穿电压相当低，一般只有四五伏特，而且LED器件一旦击穿之后，就会造成永久性的损坏，因此不要对LED器件进行反向击穿试验。在进行破坏试验时是可以测试反向击穿电压的。最大允许正向脉冲电流IFPLED发光器件，在一定频率、一定占空比的正向电流驱动之下，所能承受的最大正向脉冲电流就是最大允许正向脉冲电流。由于是在脉冲方式下工作，所以在同等结温限制条件下，正向脉冲电流的最大允许值要比直流值大。由于结温的上升取决于平均功率，它是瞬时功率的时间积分。一般在占空比为1到1/4范围内，最大允许正向脉冲电流IFP是（直流）极限工作电流的IFM1到1/4倍 。最高允许结温TJM最高允许结温是LED器件

23、允许的最高PN结温度，超过这一温度将引起器件损坏。允许的工作环境温度范围TA如前所述，工作环境温度对PM、IFM、IFP等均有重要影响，因此有必要对其范围进行规定。一般TA从-20+75度至-40+100度。允许的存储温度范围TS除了TJM和TA外，有的技术资料还给出了允许的存储温度范围TS。一般TS比TA的范围宽，约在从-25+80度至-55+100度。引线焊接时间由于焊接时通过引脚可以把热量传到PN结上去，导致器件损坏。因此对一定的焊接设备以一定的焊接温度允许停留在引脚上的时间进行规定。例如焊接温度为280度的电烙铁在距LED芯片1.6mm处焊接时，停留时间不得大于5s。二、电参数正向工作

24、电流IF由于正向电压的变化不大，所以正向电流变化时，一方面引起耗散功率的变化，另一方面会引起我们最关心的发光强度的变化。因此，可以通过正向工作电流说明器件的发光强度，或者就把它作为发光强度的一种间接表示。正常的IF一般不超过IFM的60%。正向工作电压VF一般指在一定的正向工作电流条件下的正向压降。VF随IF的变化而稍有变化，其值也与温度有关，随温度的上升VF有所下降。VF之值视LED器件所用半导体材料的不同而不同，一般在1.4V3V之间。反向漏电流IR反向漏电流是LED器件处于反偏置时的漏电流。PN结电容CJ实际上它是PN结电容与管壳、引脚电容之和。结电容对于器件在高频（视频）下工作有较大的

25、影响。导通时间Ton当器件在脉冲电流驱动下工作时，在脉冲的上升沿从受激辐射开始到达到发光强度稳定值的90%为止所需要的时间。截止时间Tct当器件在脉冲电流驱动下工作时，在脉冲的下降沿从受激辐射结束到发光强度下降到稳定值的10%为止所需要的时间。导通时间与截止时间对工作在脉冲驱动（特别是高速脉冲驱动）方式下的LED器件有较大影响。例如在显示256级灰度时，采用1/16扫描方式时，按120HZ的桢频考虑。2.3 LED器件的驱动从LED器件的发光机理可以知道，当向LED器件施加正向电压时，流过器件的正向电流使其发光。因此LED的驱动就是如何使它的PN结处于正偏置，而且为了控制（调节）它的发光强度，

26、还要解决正向电流的调节问题。具体的驱动方法可以分为直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动。但由于主要应用的是后两种，所以在这里只介绍这两种。在最后我们在介绍一下，以上几种驱动方法组合在一起的一种组合驱动方法。一、脉冲驱动利用人眼的视觉惰性，采用向LED器件重复通断供电的方法使之点燃，就是通常所说的脉冲驱动方式。采用脉冲驱动方式时应该注意两个问题：脉冲电流辐值的确定和重复频率的选择。首先，要想获得与直流驱动方式相当的发光强度的话，脉冲驱动电流的平均值Ia就应该与直流驱动的电流值相同。如图2.2所示，平均电流Ia是瞬时电流的时间积分对于矩形波来说，有: 图2.2 LED的脉冲驱动 其中就是占空比的

27、一种描述，严格意义上的占空比应该是，但因=-，所以也就间接表示了。为了使脉冲驱动方式下的平均电流与直流驱动电流相同，就需要使它的脉冲电流幅值满足： 可见脉冲驱动时，脉冲电流的幅值应该比直流驱动电流大 倍。所幸的是脉冲驱动下的最大允许电流幅值比直流驱动的电流最大允许值高的多。其次，是脉冲重复频率（或重复周期）的问题。通过视觉惰性的分析，已经知道脉冲重复频率必须高于24Hz，否则就会产生闪烁现象。在实际应用中，往往采用更高的频率，例如50 Hz、60 Hz、120 Hz甚至高达1920 Hz。选择重复频率时，不仅要考虑避免闪烁现象，有时还要考虑电路设计的方便。重复频率的上限受器件响应速度的限制，无

28、论是LED器件还是驱动器件，当频率高到一定程度，达到器件无法正常导通和关断的时候，就不能正常工作了。LED器件的上限工作频率大约在十几兆赫到数百兆赫范围内。脉冲驱动的主要应用有两个方面：扫描驱动和占空比控制。扫描驱动的主要目的是节约驱动器，简化电路；占空比控制的目的是调节器件的发光强度，多用于图象显示中的灰度级控制。实际应用中，有时脉冲驱动仅反映在扫描驱动方面（偶尔仅反映在占空比控制方面），而在很多情况下扫描驱动与占空比控制两者兼而有之。二、扫描驱动扫描驱动通过数字逻辑电路，使若干LED器件轮流导通，用以节省控制驱动电路。图2.3所示为用于对n个LED器件进行扫描驱动的电路。假定切换电路在切换

29、过程中没有时间延迟，且每个LED的导通时间是相等的，则占空比。此时的驱动电流幅值应该等于相当直流驱动电流的倍，才能达到与相当直流驱动一样的效果。当然，之值必须小于该器件的最大允许脉冲幅值电流。这样，的值就不可能取得太大，否则要不然显示亮度不够，要不然电流超过极限值。一般最大取为16，这是的显示亮度大约是直流驱动下能够显示的最大亮度的1/4。这个亮度对于室内应用，一般是能够满足要求的，但对于室外应用就不行了。室外应用时，可选择为4。 图2.3 扫描驱动电路为了说明扫描驱动的具体形式，常用1/作为参数进行扫描。例如常说采用1/4、1/8或1/16扫描方式等等。图2.4给出了1/16扫描驱动电路的原

30、理图。计数器对时钟产生的计数脉冲进行4bit二进制计数，其输出从0000到1111有16种取值。再通过4/16译码器进行译码，译码输出就可以直接点燃相应的LED了（有足够的驱动能力的话）。图2.4 1/16扫描驱动电路二、组合驱动以上所介绍的各种驱动方法，在实际应用中往往实际组合在一起使用的。LED显示屏是将发光灯按行按列布置的，驱动时也按行按列驱动。在扫描驱动方式下按行扫描按列控制，当然也可以按列扫描按行控制。所谓“扫描”的含义，就是指一行（列）一列（行）地循环接通整行（列）的LED器件，而不同这一行（列）的哪一列（行）的LED器件是否应该点燃，也不问它的灰度应该是多少。某一列（行）的LED

31、器件是否应该点燃，以及它的灰度值大小，由所谓的列（行）“控制”电路来负责。图2.5所示为一个m行n列结构的LED显示屏，当采用行扫描列控制的驱动方式时，从H1到Hm轮流将高电位接通各行线，使连接到各该行的全部LED器件接通正电源，但具体哪一个LED导通，还要看它的负电源是否接通，这就是列控制的任务了。例如在显示屏上需要LED11点燃、LED21熄灭的话，在扫描到H1行时，L1列的电位就应该为低；而扫描到H2行时L1列的电位就应该为高。这样行线上只管一行一行地轮流导通，列线上进行通断控制，实现了行扫描列控制的驱动方式。上述列控制只控制了LED的通断，如果需要进行灰度级显示的话，那么列控制就不是通

32、断控制，而是占空比控制了。这时，在当前扫描行上，该行各LED器件根据所需显示的灰度级，分别右对应的列线给出占空比控制信号。这样，就把扫描驱动与占空比控制结合在一起了。 图2.5 行扫描列控制原理及波形图2.4 LED器件使用注意事项 为了LED器件在应用过程中不致损坏，应该注意以下事项：首先，是运用过程中器件的各种参数都不得超过其最大允许值。由于LED器件的反向击穿电压很低，所以连接时不能把它的阴极与阳极接反，LED发光灯一般定义其长引脚为阳极，短引脚为阴极，最安全的办法是根据手册上器件引脚接线图正确连接。LED器件的耗散功率有限，且随环境温度的上升而下降。因此在器件的安装布局时，应该远离其他

33、发热元件，以便保证LED能够发挥它的最大功率。焊接时应该注意引脚的导热，例如可以用钳子夹住引脚根部进行焊接，尽量避免引起芯片过热造成的损害。焊接时间不宜过大，一般用25W电烙铁焊接时，不要超过35s。引脚跟部不允许弯曲，以免印入压力造成芯片损坏，引脚其他部位的成型也应该在焊接前进行。LED器件的表面封装材料遇到丙酮等有机溶剂时可能会被溶解，影响透光性能。如需清洗器件表面时，应按照器件生产厂家的说明，-用指定的清洗剂清洗。除电压型LED器件（其内部已经串联有限流电阻）外，各种LED器件在电压源驱动时，均需串入限流电阻。 第3章 LED点阵图文显示屏3.1 LED显示屏的特点和很多应用技术一样，L

34、ED显示屏并没有一个公认的严格的定义，一般把显示图形/或文字的LED显示屏称为图文屏。这里所说的图形， 是指由单一亮度线条组成的任意图形，以便与不同亮度（灰度）点阵组成的图象相区别。图文屏的主要特点是只控制LED点阵中各发光器件的通断（发光或熄灭），而不控制LED的发光强弱。LED器件的颜色可以是单色的、双色的，个别情况下甚至是多色的。LED图文显示屏的外观可以作成条形，叫做条形图文显示屏（简称条屏）， 也可以按一定高宽比例作成矩形的平面图文显示屏。其实条屏只不过是其宽度远大与高度的平面显示屏，在控制原理上并无区别。无论显示图形还是文字，都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的LE

35、D器件发光。通常事先把需要显示的图形文字转换成点阵图形，再按照显示控制的要求以一定的格式形成显示数据。对于只控制通断的图文显示屏来说，每个LED发光器件占据数据中的1位（1bit），在需要该LED器件发光时数据中相应的位填1，否则填0。当然，根据控制电路的安排，相反的定义同样是可行的。这样依照所需显示的图形文字，按显示屏的个行个列逐点填写显示数据，就可以构成一个显示数据文件。显示图形的数据文件，其格式相对自由，只要能够满足显示控制的要求即可。文字的点阵格式比较规范，可以采用现行计算机通用的字库字模，例如汉字就有宋体、仿宋体、楷体、黑体等多种可供选择的方案。组成一个字的点阵，其大小也可以有16*

36、16、24*24、32*32、48*48等不同规格。本次设计字的大小采用16*16的规格。用点阵方式构成图形或文字，是非常灵活的，可以根据需要任意组合和变化，只要设计好合适的数据文件，就可以得到满意的显示效果。因而采用点阵式显示屏显示经常需要变化的信息，是非常有效的。条屏常用于简短明确的信息，例如显示车站、机场的班次、航班信息等等，或者商厦的欢迎词，或写字楼办公区的简短通知等等。点阵显示方式有适应信息变化的优点，是以点阵显示器的价格和其复杂的控制电路为代价的。点阵显示器在整个显示单元的所有位置上都布置了LED器件，而像数码管一类的LED显示器件只在需要发光的七段（或八段）位置上布置LED器件，

37、其他位置是空白的。因此点阵显示屏在相同面积情况下，其价格要比数码管等贵。另一方面，由于数码管可显示的信息有限，只有09等几个字符，这些字符的变化是靠组合七段LED的发光与否实现的。由于段数不多，组合形成的字符也不多，所以显示数据和控制电路都比较简单。点阵显示屏则不然，它要对点阵上全部LED进行控制，并能生成所有可能显示的图形文字，其显示数据和控制电路自然要复杂得多。因此，在有些场合显示信息虽然需要变化，但其特点或格式有一定变化范围的限制，也就是说不要求显示任意变化的信息。3.2 LED显示屏的基本结构显示屏可以分成屏体和控制器两大部分。屏体的主要部分是显示点阵，还有行列驱动电路，或者包括其他电

38、路（并没有严格规定，可根据需要和印刷电路的布置而定）。显示点阵多采用8*8单色或双色显示单元（见图3.2.1）拼接而成。本次设计就是采用16*160的条屏，就需要使用40块8*8显示单元。虽然驱动电路和部分其他电路也装在屏体上，但其作用我们还是结合控制电路一起进行分析。从显示文字的角度来看，一个字符（特别是汉字）也可由16*16或24*24或32*32点阵组成。屏的一行可以短到只显示几个字，长到显示十几、二十个字。一块由M行N列组成的M*N显示屏，其LED发光器件数量相当大，不宜使用静态显示驱动电路。行驱动器一行的行线连到电源的一端，列驱动器一列的列线连到电源的另一端。当行驱动选中第i行，列驱

39、动选中第j列时，对应的LED器件根据列驱动器的数据要求进行显示。控制电路负责有续地选择各行，在选通每一行之前还要把该行各列数据准备好。一旦该行选通，这一行线上的LED发光器件就可以根据列数据进行显示。这种时序控制电路，可以由补线逻辑完成。但考虑到显示数据的存储和设计的灵活性及通用性，一般都采用单片机（及部分接口电路）实现，简单的显示模式和显示数据可以由下位机自身产生和存储，复杂多变的显示数据或显示模式可由上位机产生后下载给下位机。 图3.2.1单色LED点阵显示单元 由于显示屏的显示数据只有通断信息，而不包括灰度信息，因此数据不大。加之显示内容的更新速度也较慢，远比不上电视信号每秒25祯的变化

40、速度。所以，上下位机之间的数据传送可以采用串行异步通信方式。串行通信接口电平可根据需要选择RS232、RS422、或RS485标准。图3.2.2示出了显示屏的电路框图。图3.2.2显示屏电路框图3.3 LED显示屏的硬件设计3.3.1单片机概述MCS51是Intel公司的单片机系列产品，其品种型号繁多，典型产品有 8051， 8031和 8751 三种型号。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上有所不同。 8051内部设有4K字节的掩模 ROM程序存储器，8031片内没有程序存储器 8751是将 8051片内 ROM换成 EPROM。这里以 8051单片机为例，介绍MCS-51单片

41、机的结构。MCS51单片机是在一块芯片中集成了 CPU、 RAM、 ROM、定时器/ 计数器和多种功能的I/O接口等一台计算机所需要的基本功能部件。单片机内包含下列几个部件： 一个8位CPU； 一个片内振荡器及时钟电路； 4K字节ROM程序存储器： 128字节RAM数据存储器； 两个 16位定时器/计数器； 可寻址 64K外部数据存储器和 64K外部程序存储器空间的控制电路； 32条可编程的I/O线（四个6位并行I/O端口） 一个可编程全双工串行口； 具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。8051单片机框图如图3.3.1所示。各功能部件由内部总线联接在一起。图中4K（4096）字节的ROM存

42、储器部分用EPROM替换就成为8751；图中去掉ROM部分就成为8031的结构图。图3.3.1 8051结构图MCS51单片机都采用 40引脚的双列直播封装方式。图3.3.2（A）为引脚排列图，（b）为逻辑符号图。图3.3.2 MCS51单片机引脚图 40条引脚说明如下： 主电源引脚Vss和Vcc Vss 接地。 Vcc 正常操作时为十5伏电源。 外接晶体引脚XTAl1和XTAL2 XTAL1 内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地（见图2-3（B）。 XTAL2 内部振荡器的反相放大器的输出端，是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部

43、振荡源。 控制或与其它电源复用引脚 RST/Vpd，ALE/PROG，PSEN 和EA/Vpp。 RST/Vpd 当振荡器运行时。在此引脚上出现两个机器同期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位。 在 Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由 Vpd向内部 RAM提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。 ALE/PROG 正常操作时为ALE功能（允许地址钱存），提供把地址的低字节锁存到外部锁存器。ALE引脚以不变的频率（振荡周期的1/6）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个 ALE脉冲。 ALE端可以驱动（吸收或

44、输出电流）八个 LSTTL电路。 对于 EPROM型单片机，在 EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（PROG功能）。 PSEN 外部程序存储器读选通信号输出端。在从外部程序存储器取指令（或数据）期间；PSEN 在每个机器周期内两次有效。 PSEN 同样可以驱动八个LSTTL输入。 EAVpp EA为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当EA为高电平时，访问内部程序存储器（PC值小于4K）。当EA为低电平时，则访问外部程序存储器。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21VEPROM编程电源（Vpp）。 输入/输出引脚 P0.0P0.7，P1.0P1.7，P2.0P2.7

45、，P3.0P3.7 P0.0P0.7： P0是一个 8位漏极开路型双向 I/O口。在访问外部存储器时，它是分时传送的低字节地址和数据总线。PO口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载。 P1.0P1.7： P1是一个带有内部提升电阻的 8位准双向 I/O口。它能驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载。 P2.0P2.7： P2是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。在访问外部存储器时，它输出高8位地址。P2口可以驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载。 P3.0P3.7：P3是一个带有内部提升电阻的 8位准双向 I/O口。能驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载。P3口还用于第二功

46、能请参看图3.3.3。图3.3.3 P3口的第二功能 STC89C58RD+型单片机介绍本设计采用的主控芯片为STC89C58RD+，其特点为：降低成本，提升性能，原有程序直接使用，硬件无序改动；功耗低：掉电模式，典型功耗，0.5uA，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行源程序;空闲模式：典型功耗，2mA；正常工作模式：典型功耗，4mA-7mA。工作电压范围宽： 5V: 6V-3.4V。如果相关新增功能没有用到，则不需看相应部分；用STC提供的STC-ISP.exe工具将原有的代码下载进STC相关的单片机即可，或用通用编程器编程。该单片机为真正的看门狗，缺省为关闭（冷启动），启动后无法关闭，

47、可放心省去外部看门狗。内部Flash擦写次数为100，000次以上。STC89C58RD+的抗干扰能力：I/O口：输入/输出口经过特殊处理，很多干扰是从I/O进去的，每个I/O均有对VCC/GND二级管箝拉保护；电源：单片机内部的电源供电系统经过特殊的处理，很多干扰事从电源进去的；时钟:单片机内部的时钟电路经过特殊处理，很多干扰是从时钟部分进去的；看门狗：单片机内部的看门狗电路经过特殊处理，打开后无法关闭，可放心省去外部看门狗；复位电路：单片机内部的复位电路经过特殊处理，该单片机为高电平复位，采用R/C复位；宽电压，不怕电源抖动：5V:6V-3.4V;高抗静电（高ESD保护）。STC89C58

48、RD+性能表:型号最高时钟频率（Hz）Flash程序存储器RAM数据存储器看门狗双倍速EEP ROM数据指针串口UART中断源优先级定时器向下兼容STC89C58RD+0-80M32K12808K+21ch+843W78E58P89C58AT89C51RCSTC89C58RD+单片机中断特殊功能寄存器：MnemonicAddName76543210Reset ValueIEA8hInterrupt enableEA-ET2ESET1EX1ET0EX00000,0000IPB8hInterrupt priority low-PT2PSPT1PX1PT0PX0xx00,0000IPHB7hInte

49、rrupt priority highPX3HPX2HPT2HPSHPT1HPX1HPT0HPX0H0000,0000XICONC0hAuxiliary interrupt controlPX3EX3IE3IT3PX2EX2IE2IT20000,0000STC89C58RD+管脚图：T2/P1.0T2EX/P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTRXD/P3.0TXD/3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSSVCCP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/A

50、D4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7EAALE/PROGPSENP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A812345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221STC89C58RDSTC89C58RD+单片机ISP编程原理：给单片机上电复位，冷启动冷启动，单片机运行系统ISP监控程序检测P3.0/RXD有没有合法下载命令流下载用户程序进用户程序区单片机彻底没电软复位到用户程序区，运行用户程序有 无外部手动复位，

51、看门狗复位，单片机不会运行ISP程序。单片机运行ISP程序，检测有无合法下载命令流，占时几十mS-几百mS，如无合法下载命令流，则立即跑用户程序。PC机端的控制软件必须先发下载命令流，再给单片机上电复位。3.3.2 RS232串口RS-232接口又称之为RS-232口、串口、异步口或一个COM（通信）口。RS-232是其最明确的名称。 在计算机世界中，大量的接口是串口或异步口，但并不一定符合RS-232标准，但我们也通常认为它是RS-232口。 严格地讲RS-232接口是DTE（数据终端设备）和DCE（数据通信设备）之间的一个接口，DTE包括计算机、终端、串口打印机等设备。DCE通常只有调制解

52、调器（MODEM）和某些交换机COM口是DCE。标准指出DTE应该拥有一个插头（针输出），DCE拥有一个插座（孔输出）。这经常被制造商忽视，但影响不大，只要搞清楚DCE、DTE就行了，然后按照标准接线图接线就不会错了。（DTE、DCE 引脚定义相同）目前较为常用的串口有9针串口（DB9）和25针串口（DB25），通信距离较近时(12m)，可以用电缆线直接连接标准RS232端口(RS422,RS485较远)，若距离较远，需附加调制解调器（MODEM）。最为简单且常用的是三线制接法，即地、接收数据和发送数据三脚相连。RS232C串口通信接线方法（三线制）首先，串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针

53、脚就能实现：同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连，两个串口相连或一个串口和多个串口相连同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连 对9针串口和25针串口，均是2与3直接相连； 两个不同串口（不论是同一台计算机的两个串口或分别是不同计算机的串口）。9针9针25针25针9针25针233222322333557757上面表格是对微机标准串行口而言的，还有许多非标准设备，如接收GPS数据或电子罗盘数据，只要记住一个原则：接收数据针脚（或线）与发送数据针脚（或线）相连，彼些交叉，信号地对应相接。许多外设和计算机按串行方式进行通信，这里所说的串行方式，是指外设与接口电路之间的信息传送方式，实际上，CPU与接口之间仍按并行方式工作。图